Основные параметры и характеристики антенн

Передающей антенной называется устройство, излучающее электромагнитную энергию в заданных направлениях.

Приемная антенна это устройство, принимающее электромагнитную энергию с заданных направлений.

Антенны обладают свойством обратимости и, принципиально, любая антенна может работать как в режиме приема, так и в режиме передачи.

Направленные свойства передающей и приемной антенн определяются их диаграммой направленности (ДН), представляющей зависимость напряженности поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии r от углов наблюдения в пространстве ∆ и φ, где ∆ - угол в вертикальной плоскости, φ - угол в горизонтальной плоскости.

Пространственная диаграмма направленности является поверхностью объема и может иметь несколько максимумов.

 

 

а) плоская в полярной системе координат,

б) плоская в декартовой системе координат

 

Рисунок 2.1 - Диаграмма направленности антенны

 

ДН антенн, излучающих линейно поляризованные волны, рассматривают в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости электрического вектора и в плоскости магнитного вектора , проходящих через максимум главного лепестка и точку расположения антенны.

ДН строят также нормированными с главным максимумом, приведенным к единице:

или (2.1)

ДН по мощности является квадратом диаграммы направленности по напряженности поля.

ДН антенны характеризуется шириной главного лепестка по половинной мощности (уровень 3 дБ), что соответствует уровню 0,707 по напряженности поля.

ДН оценивают также по интенсивности боковых и обратного лепестков.

Коэффициентом защитного действия (К_защ) антенны называется отношение напряженности поля, созданного антенной в главном направлении , к напряженности поля в направлении противоположном главному .

в относительных единицах. (2.2)

(2.3)

Коэффициентом направленного действия (КНД) (D) в данном направлении называют отношение квадрата напряженности поля, созданного антенной в данном (обычно главном) направлении к среднему (по всем направлениям) значению квадрата напряженности поля

(2.4)

КНД можно также рассматривать как отношение плотности потока мощности излучаемой данной антенной в главном направлении:

(2.5)

к плотности потока, созданного ненаправленной антенной

(2.6)

при равных мощностях излучения

(2.7)

Выражая мощность излучения через ток и сопротивление, получим:

(2.8)

здесь напряженность поля, созданная на расстоянии r рассматриваемой антенной в главном направлении.

Из формулы (2.8) следует, что

(2.9)

т.е. численное значение КНД показывает, во сколько раз нужно уменьшить мощность излучения, если ненаправленную антенну заменить направленной, при сохранении одинаковых напряженностей поля в главном направлении.

КНД не учитывает потери в антенне.

Параметром, характеризующим направленные свойства и учитывающим потери в антенне, является коэффициент усиления.

Коэффициентом усиления антенны (G) называется отношение плотности потока мощности или квадрата напряженности поля , созданного антенной в направлении максимального излучения, к потоку мощности или квадрату напряженности поля , созданному эталонной антенной, при равенстве подводимых к антеннам мощностей

(2.10)

Приемные антенны часто характеризуются их эффективной или действующей площадью. Приемная антенна, находясь в электромагнитном поле, поглощает часть его энергии и передает в приемник, который является для антенны нагрузкой.

Эквивалентная площадь, с которой антенна полностью поглощает энергию волны, пришедшую с главного направления, и отдает в согласованную нагрузку, называется действующей или эффективной площадью антенны.

(2.11)

Антенны можно сравнивать по их действующей длине.

Действующей длиной передающей антенны называют длину излучателя с равномерным распределением тока, как у элементарного электрического вибратора, который в главном направлении создает такую же напряженность поля, как и реальная антенна при одинаковых токах.

Действующей длиной приемной антенны называют коэффициент пропорциональности между максимальной ЭДС, наведенной в антенне Э_А, и напряженностью поля в точке приема Е:

(2.12)

Сопротивлением излучения антенны () называют коэффициент пропорциональности, связывающей мощность излучения с квадратом действующего значения тока в антенне:

(2.13)

Величина тока вдоль реальных антенн изменяется, поэтому сопротивление излучения относят либо к току на входе антенны, либо к току в пучности. Сопротивление излучения характеризует степень связи антенны с пространством, окружающем антенну. Такая связь так же необходима, как связь между генератором и его нагрузкой - генератор отдает свою мощность в нагрузку. Антенна излучает подводимую к ней мощность в окружающее пространство.

Коэффициентом полезного действия антенны называют отношение излучаемой мощности к подводимой мощности :

или (2.14)

Волновое сопротивление антенны ,как и в теории длинных линий, определяется как отношение напряжения к току бегущей (падающей) волны:

(2.15)

Входным сопротивлением антенны называют отношение напряжения на входе антенны к току входа антенны :

(2.16)

Излучаемый антенной сигнал для передачи информации представляет модулированное высокочастотное колебание, которое содержит спектр частот. Входное сопротивление антенны меняется с частотой, поэтому антенна так же, как и контур с сосредоточенными параметрами, характеризуется полосой пропускания.

Полосой пропускания называют область частот, на границах которой сигнал ослабляется на 3 дБ относительно максимального значения, при постоянной возбуждающей ЭДС. Ослабление на 3 дБ соответствует уменьшению тока или напряжения в 0,707 раз от максимального.

Если передающая или приемная антенны являются диапазонными, т.е. предназначены для излучения или приема целого диапазона волн, то рабочим диапазоном волн называют диапазон, в котором основные параметры антенны - коэффициент направленного действия, коэффициент полезного действия и входное сопротивление антенны сохраняются в заданных пределах.